Java 多线程：并发编程的三大特性

作者：Grey

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可见性

所谓线程数据的可见性，指的就是内存中的某个数据，假如第一个 CPU 的一个核读取到了，和其他的核读取到这个数据之间的可见性。

每个线程会保存一份拷贝到线程本地缓存，使用volatile，可以保持线程之间数据可见性。

如下示例

package git.snippets.juc;


import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 并发编程三大特性之:可见性
 *
 * @author <a href="mailto:410486047@qq.com">Grey</a>
 * @since 1.8
 */
public class ThreadVisible {

    static volatile boolean flag = true;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread() + " t start");
            while (flag) {
                // 如果这里调用了System.out.println()
                // 会无论flag有没有加volatile,数据都会同步
                // 因为System.out.println()背后调用的synchronized
                // System.out.println();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread() + " t end");
        });
        t.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        flag = false;


        // volatile修饰引用变量
        new Thread(a::m, "t2").start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        a.flag = false;

        // 阻塞主线程,防止主线程直接执行完毕,看不到效果
        System.in.read();
    }

    private static volatile A a = new A();

    static class A {
        volatile boolean flag = true;

        void m() {
            System.out.println("m start");
            while (flag) {
            }
            System.out.println("m end");
        }
    }
}

代码说明:

• volatile修饰了flag变量，主线程改了flag的值，子线程可以感知到；

• 如在上述代码的死循环中增加了System.out.println(), 则会强制同步flag的值,无论flag本身有没有加volatile；

• 如果volatile修饰一个引用对象,如果对象的属性(成员变量)发生了改变,volatile不能保证其他线程可以观察到该变化。

关于三级缓存

如上图，内存读出的数据会在 L3，L2，L1 上都存一份。

在从内存中读取数据的时候，根据的是程序局部性的原理，按块来读取，这样可以提高效率，充分发挥总线 CPU 针脚等一次性读取更多数据的能力。

所以这里引入了一个缓存行的概念，目前一个缓存行多用64个字节来表示。

如何来验证 CPU 读取缓存行这件事，我们可以通过一个示例来说明：

package git.snippets.juc;

/**
 * 缓存行对齐
 *
 * @author <a href="mailto:410486047@qq.com">Grey</a>
 * @since 1.8
 */
public class CacheLinePadding {
    public static T[] arr = new T[2];

    static {
        arr[0] = new T();
        arr[1] = new T();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (long i = 0; i < 1000_0000L; i++) {
                arr[0].x = i;
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (long i = 0; i < 1000_0000L; i++) {
                arr[1].x = i;
            }
        });

        final long start = System.nanoTime();
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println((System.nanoTime() - start) / 100_0000);
        System.out.println("arr[0]=" + arr[0].x + " arr[1]=" + arr[1].x);
    }

    private static class Padding {
        public volatile long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    }

    // T这个类extends Padding与否，会影响整个流程的执行时间，如果继承了，会减少执行时间，
    // 因为继承Padding后，arr[0]和arr[1]一定不在同一个缓存行里面，所以不需要同步数据，速度就更快一些了。
    private static class T /*extends Padding*/ {
        public volatile long x = 0L;
    }
}

代码说明

以上代码，T这个类继承Padding类与否，会影响整个流程的执行时间，如果继承了，会减少执行时间，因为继承Padding后，arr[0]和arr[1]一定不在同一个缓存行里面，所以不需要同步数据，速度就更快一些了。

Java SE 1.8 增加了一个注解 @Contended，标注后就不会在同一缓存行, 但是这个注解仅适用于 Java SE 1.8，而且还需要增加 JVM 参数-XX:-RestrictContended

CPU 为每个缓存行标记四种状态（使用两位）

M: 被修改（Modified）

该缓存行只被缓存在该 CPU 的缓存中，并且是被修改过的（dirty),即与主存中的数据不一致，该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点（允许其它 CPU 读取请主存中相应内存之前）写回（write back）主存。

当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享（exclusive)状态。

E: 独享的（Exclusive）

该缓存行只被缓存在该 CPU 的缓存中，它是未被修改过的（clean)，与主存中数据一致。该状态可以在任何时刻当有其它 CPU 读取该内存时变成共享状态（shared)。

同样地，当 CPU 修改该缓存行中内容时，该状态可以变成Modified状态。

S: 共享的（Shared）

该状态意味着该缓存行可能被多个 CPU 缓存，并且各个缓存中的数据与主存数据一致（clean)，当有一个 CPU 修改该缓存行中，其它 CPU 中该缓存行可以被作废（变成无效状态（Invalid））。

I: 无效的（Invalid）

该缓存是无效的（可能有其它 CPU 修改了该缓存行）。

参考：【并发编程】MESI--CPU缓存一致性协议

有序性

计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排。

为什么指令重排序可以提高性能？

简单地说，每一个指令都会包含多个步骤，每个步骤可能使用不同的硬件。因此，流水线技术产生了，它的原理是：指令1还没有执行完，就可以开始执行指令2，而不用等到指令1执行结束之后再执行指令2，这样就大大提高了效率。

但是，流水线技术最害怕中断，恢复中断的代价是比较大的，所以我们要想尽办法不让流水线中断。指令重排就是减少中断的一种技术。

我们分析一下下面这个代码的执行情况：

a = b + c;
d = e - f ;

先加载b、c（注意，既有可能先加载b，也有可能先加载c），但是在执行b + c的时候，需要等待 b、c 装载结束才能继续执行，也就是增加了停顿，那么后面的指令也会依次有停顿，这降低了计算机的执行效率。

为了减少这个停顿，我们可以先加载 e 和 f ,然后再去加载b + c,这样做对程序（串行）结果是没有影响的,但却减少了停顿：既然b + c需要停顿，那还不如去做一些有意义的事情。

综上所述，指令重排对于提高 CPU 处理性能十分必要。虽然由此带来了乱序的问题，但是这点牺牲是值得的。

指令重排一般分为以下三种：

第一种：编译器优化重排

编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

第二种：指令并行重排

现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性(即后一个执行的语句无需依赖前面执行的语句的结果)，处理器可以改变语句对应的机器指令的执行顺序。

第三种：内存系统重排

由于处理器使用缓存和读写缓存冲区，这使得加载( load )和存储( store )操作看上去可能是在乱序执行，因为三级缓存的存在，导致内存与缓存的数据同步存在时间差。

指令重排可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致。所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题。

乱序存在的条件是：不影响单线程的最终一致性( as - if - serial )

验证乱序执行的程序示例

package git.snippets.juc;

/**
 * 并发编程的三大特性之：有序性
 *
 * @author <a href="mailto:410486047@qq.com">Grey</a>
 * @since 1.8
 */
public class DisOrder {
    private static int x = 0, y = 0;
    private static int a = 0, b = 0;

    // 以下程序可能会执行比较长的时间
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        for (; ; ) {
            i++;
            x = 0;
            y = 0;
            a = 0;
            b = 0;
            Thread one = new Thread(() -> {
                // 由于线程one先启动，下面这句话让它等一等线程two. 读着可根据自己电脑的实际性能适当调整等待时间.
                shortWait(100000);
                a = 1;
                x = b;
            });

            Thread other = new Thread(() -> {
                b = 1;
                y = a;
            });
            one.start();
            other.start();
            one.join();
            other.join();
            String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";
            if (x == 0 && y == 0) {
                // 出现这个分支，说明指令出现了重排
                // 否则不可能 x和y同时都为0
                System.err.println(result);
                break;
            } else {
                // System.out.println(result);
            }
        }
    }

    public static void shortWait(long interval) {
        long start = System.nanoTime();
        long end;
        do {
            end = System.nanoTime();
        } while (start + interval >= end);
    }
}

代码说明：

如上示例，如果指令不出现乱序，那么 x 和 y 不可能同时为 0，通过执行这个程序可以验证出来，在我本机测试的结果是：

执行到第 385634 次 出现了 x 和 y 同时为 0 的情况，说明出现了乱序。

原子性

程序的原子性是指整个程序中的所有操作，要么全部完成，要么全部失败，不可能滞留在中间某个环节；在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程所打断。

一个示例：

class T {   
    m =9;
}

对象 T 在创建过程中，背后其实是包含了多条执行语句的，由于有 CPU 乱序执行的情况，所以极有可能会在初始化过程中生成以一个半初始化对象 t，这个 t 的 m 等于 0（还没有来得及做赋值操作）

所以，不要在某个类的构造方法中启动一个线程，这样会导致 this 对象逸出：因为这个类的对象可能还来不及执行初始化操作，就启动了一个线程，导致了异常情况。

volatile一方面可以保证线程数据之间的可见性，另外一方面，也可以防止类似这样的指令重排，所以，单例模式中，DCL方式的单例一定要加volatile修饰：

public class Singleton6 {
    private volatile static Singleton6 INSTANCE;
 
    private Singleton6() {
    }
 
    public static Singleton6 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton6.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    INSTANCE = new Singleton6();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

具体可以参考设计模式学习笔记 中单例模式的说明。

说明

本文涉及到的所有代码和图例

图例

代码

更多内容见：Java 多线程

参考资料

实战Java高并发程序设计(第2版)

深入浅出Java多线程

多线程与高并发-马士兵

Java并发编程实战

【并发编程】MESI--CPU缓存一致性协议

【并发编程】细说并发编程的三大特性

设计模式学习笔记